Природные соединения алюминия доклад

Обновлено: 19.05.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Элементы группы 3А.Алюминий и его физические свойства.Природные соединения алюминия

Главную подгруппу III группы периодической системы составляют бор (В), алюминий (А l ), галлий ( Ga ), индий ( In ) и таллий (Т l ).

Как видно из приведенных данных, все эти элементы были открыты в XIX столетии.

Открытие металлов главной подгруппы III группы

Л. де Буабодран

Бор представляет собой неметалл. Алюминий — переходный металл, а галлий, индий и таллий — полноценные металлы. Таким образом, с ростом радиусов атомов элементов каждой группы периодической системы металлические свойства простых веществ усиливаются.

В данной лекции мы подробнее рассмотрим свойства алюминия.

1. Положение алюминия в таблице Д. И. Менделеева. Строение атома, проявляемые степени окисления.

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1

1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 2

Алюминий проявляет в соединениях степень окисления +3:

Al 0 – 3 e - → Al +3

2. Физические свойства

Алюминий в свободном виде — серебристо-белый металл, обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Температура плавления 650 о С. Алюминий имеет невысокую плотность (2,7 г/см 3 ) — примерно втрое меньше, чем у железа или меди, и одновременно — это прочный металл.

3. Нахождение в природе

По распространённости в природе занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Процент содержания алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45 до 8,14 % от массы земной коры.

В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах).

Некоторые из них:

· Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO₂, известняком CaCO₃, магнезитом MgCO₃)

4. Химические свойства алюминия и его соединений

Алюминий легко взаимодействует с кислородом при обычных условиях и покрыт оксидной пленкой (она придает матовый вид).

Её толщина 0,00001 мм, но благодаря ней алюминий не коррозирует. Для изучения химических свойств алюминия оксидную пленку удаляют. (При помощи наждачной бумаги, или химически: сначала опуская в раствор щелочи для удаления оксидной пленки, а затем в раствор солей ртути для образования сплава алюминия со ртутью – амальгамы).

I . Взаимодействие с простыми веществами

Алюминий уже при комнатной температуре активно реагирует со всеми галогенами, образуя галогениды. При нагревании он взаимодействует с серой (200 °С), азотом (800 °С), фосфором (500 °С) и углеродом (2000 °С), с йодом в присутствии катализатора - воды:

2А l + 3 S = А l ₂ S ₃ (сульфид алюминия),

2А l + N₂ = 2А lN (нитрид алюминия),

А l + Р = А l Р (фосфид алюминия),

4А l + 3С = А l ₄ С₃ (карбид алюминия).

2 Аl + 3 I ₂ = 2 A l I₃ (йодид алюминия) ОПЫТ

Все эти соединения полностью гидролизуются с образованием гидроксида алюминия и, соответственно, сероводорода, аммиака, фосфина и метана:

В виде стружек или порошка он ярко горит на воздухе, выделяя большое количество теплоты:

4А l + 3 O ₂ = 2А l ₂ О₃ + 1676 кДж.

II . Взаимодействие со сложными веществами

Взаимодействие с водой :

без оксидной пленки

Взаимодействие с оксидами металлов:

Алюминий – хороший восстановитель, так как является одним из активных металлов. Стоит в ряду активности сразу после щелочно-земельных металлов. Поэтому восстанавливает металлы из их оксидов. Такая реакция – алюмотермия – используется для получения чистых редких металлов, например таких, как вольфрам, ваннадий и др.

Термитная смесь Fe₃O₄ и Al (порошок) –используется ещё и в термитной сварке.

Взаимодействие с кислотами :

С холодными концентрированными серной и азотной не реагирует (пассивирует). Поэтому азотную кислоту перевозят в алюминиевых цистернах. При нагревании алюминий способен восстанавливать эти кислоты без выделения водорода:

Взаимодействие со щелочами .

2 Al + 2 NaOH + 6 H ₂ O = 2 Na [ Al ( OH )₄] + 3 H ₂

Na [А l (ОН)₄] – тетрагидроксоалюминат натрия

По предложению химика Горбова, в русско-японскую войну эту реакцию использовали для получения водорода для аэростатов.

С растворами солей:

Если поверхность алюминия потереть солью ртути, то происходит реакция:

2 Al + 3 HgCl ₂ = 2 AlCl ₃ + 3 Hg

Выделившаяся ртуть растворяет алюминий, образуя амальгаму.

Обнаружение ионов алюминия в растворах : ОПЫТ

5. Применение алюминия и его соединений

Физические и химические свойства алюминия обусловили его широкое применение в технике. Крупным потребителем алюминия является авиационная промышленность: самолет на 2/3 состоит из алюминия и его сплавов. Самолет из стали оказался бы слишком тяжелым и смог бы нести гораздо меньше пассажиров. Поэтому алюминий называют крылатым металлом. Из алюминия изготовляют кабели и провода: при одинаковой электрической проводимости их масса в 2 раза меньше, чем соответствующих изделий из меди.

Учитывая коррозионную устойчивость алюминия, из него изготовляют детали аппаратов и тару для азотной кислоты. Порошок алюминия является основой при изготовлении серебристой краски для защиты железных изделий от коррозии, а также для отражения тепловых лучей такой краской покрывают нефтехранилища, костюмы пожарных.

Оксид алюминия используется для получения алюминия, а также как огнеупорный материал.

Гидроксид алюминия – основной компонент всем известных лекарств маалокса, альмагеля, которые понижают кислотность желудочного сок.

Соли алюминия сильно гидролизуются. Данное свойство применяют в процессе очистки воды. В очищаемую воду вводят сульфат алюминия и небольшое количество гашеной извести для нейтрализации образующейся кислоты. В результате выделяется объемный осадок гидроксида алюминия, который, оседая, уносит с собой взвешенные частицы мути и бактерии.

Таким образом, сульфат алюминия является коагулянтом.

6. Получение алюминия

1) Современный рентабельный способ получения алюминия был изобретен американцем Холлом и французом Эру в 1886 году. Он заключается в электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном криолите. Расплавленный криолит Na₃AlF₆ растворяет Al₂O_3, как вода растворяет сахар. Электролиз “раствора” оксида алюминия в расплавленном криолите происходит так, как если бы криолит был только растворителем, а оксид алюминия - электролитом.

В английской “Энциклопедии для мальчиков и девочек” статья об алюминии начинается следующими словами: “23 февраля 1886 года в истории цивилизации начался новый металлический век - век алюминия. В этот день Чарльз Холл, 22-летний химик, явился в лабораторию своего первого учителя с дюжиной маленьких шариков серебристо-белого алюминия в руке и с новостью, что он нашел способ изготовлять этот металл дешево и в больших количествах”. Так Холл сделался основоположником американской алюминиевой промышленности и англосаксонским национальным героем, как человек, сделавшим из науки великолепный бизнес.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ

№1. Для получения алюминия из хлорида алюминия в качестве восстановителя можно использовать металлический кальций. Составьте уравнение данной химической реакции, охарактеризуйте этот процесс при помощи электронного баланса.
Подумайте! Почему эту реакцию нельзя проводить в водном растворе?

№2. Закончите уравнения химических реакций:
Al + H ₂ SO ₄ (раствор) ->
Al + CuCl ₂ ->
Al + HNO ₃ (конц) - t ->
Al + NaOH + H ₂ O ->

№4. Решите задачу:
На сплав алюминия и меди подействовали избытком концентрированного раствора гидроксида натрия при нагревании. Выделилось 2,24 л газа (н.у.). Вычислите процентный состав сплава, если его общая масса была 10 г?

Сущность алюминия, характеристика его природных составляющих. Конфигурация внешнего электронного слоя. Радиус нейтрального атома алюминия. Описание его основных физических и химических свойств. Определение реакции с растворами щелочей и кислотами.

Рубрика	Химия
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	29.10.2013
Размер файла	16,7 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Департамент здравоохранения г. Москвы

Медицинское училище №24 г Москвы

Реферат на тему:

Студентка 1-го курса,12 гр

Алюминий (лат. Aluminium; от "alumen" -- квасцы), Al, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 13, атомная масса 26,98154.

1. Общая характеристика алюминия

Природный алюминий состоит из одного нуклида 27Al. Конфигурация внешнего электронного слоя 3s2p1. Практически во всех соединениях степень окисления алюминия +3 (валентность III).

Радиус нейтрального атома алюминия 0,143 нм, радиус иона Al3+ 0,057 нм. Энергии последовательной ионизации нейтрального атома алюминия равны, соответственно, 5,984, 18,828, 28,44 и 120 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность алюминия 1,5.

Простое вещество алюминий -- мягкий легкий серебристо-белый металл.

Алюминий -- типичный металл, кристаллическая решетка кубическая гранецентрированная, параметр а = 0,40403 нм. Температура плавления чистого металла 660°C, температура кипения около 2450°C, плотность 2,6989 г/см3. Температурный коэффициент линейного расширения алюминия около 2,5·10-5 К-1 Стандартный электродный потенциал Al3+/Al -- 1,663В.

Химически алюминий -- довольно активный металл. На воздухе его поверхность мгновенно покрывается плотной пленкой оксида Al2О3, которая препятствует дальнейшему доступу кислорода (O) к металлу и приводит к прекращению реакции, что обусловливает высокие антикоррозионные свойства алюминия. Защитная поверхностная пленка на алюминии образуется также, если его поместить в концентрированную азотную кислоту.

С остальными кислотами алюминий активно реагирует:

6НСl + 2Al = 2AlCl3 + 3H2,

3Н2SO4 + 2Al = Al2(SO4)3 + 3H2.

Алюминий реагирует с растворами щелочей. Сначала растворяется защитная оксидная пленка:

Al2О3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4].

Затем протекают реакции:

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2,

NaOH + Al(OH)3 = Na[Al(OH)4],

2Al + 6H2O + 2NaOH = Na[Al(OH)4] + 3Н2,

и в результате образуются алюминаты: Na[Al(OH)4] -- алюминат натрия (Na) (тетрагидроксоалюминат натрия), К[Al(OH)4] -- алюминат калия (K) (терагидроксоалюминат калия) или др. Так как для атома алюминия в этих соединениях характерно координационное число 6, а не 4, то действительные формулы указанных тетрагидроксосоединений следующие:

Na[Al(OH)4(Н2О)2] и К[Al(OH)4(Н2О)2].

При нагревании алюминий реагирует с галогенами:

2Al + 3Cl2 = 2AlCl3,

2Al + 3 Br2 = 2AlBr3.

Интересно, что реакция между порошками алюминия и иода (I) начинается при комнатной температуре, если в исходную смесь добавить несколько капель воды, которая в данном случае играет роль катализатора:

2Al + 3I2 = 2AlI3.

Взаимодействие алюминия с серой (S) при нагревании приводит к образованию сульфида алюминия:

который легко разлагается водой:

Al2S3 + 6Н2О = 2Al(ОН)3 + 3Н2S.

С водородом (H) алюминий непосредственно не взаимодействует, однако косвенными путями, например, с использованием алюминийорганических соединений, можно синтезировать твердый полимерный гидрид алюминия (AlН3)х -- сильнейший восстановитель.

В виде порошка алюминий можно сжечь на воздухе, причем образуется белый тугоплавкий порошок оксида алюминия Al2О3.

Высокая прочность связи в Al2О3 обусловливает большую теплоту его образования из простых веществ и способность алюминия восстанавливать многие металлы из их оксидов, например:

алюминий атом химический щелочь

3Fe3O4 + 8Al = 4Al2O3 + 9Fe и даже

3СаО + 2Al = Al2О3 + 3Са.

Такой способ получения металлов называют алюминотермией.

Амфотерному оксиду Al2О3 соответствует амфотерный гидроксид -- аморфное полимерное соединение, не имеющее постоянного состава. Состав гидроксида алюминия может быть передан формулой xAl2O3·yH2O, при изучении химии в школе формулу гидроксида алюминия чаще всего указывают как Аl(OH)3.

В лаборатории гидроксид алюминия можно получить в виде студенистого осадка обменными реакциями:

Al2(SO4)3 + 6NaOH = 2Al(OH)3 + 3Na2SO4,

или за счет добавления соды к раствору соли алюминия:

2AlCl3 + 3Na2CO3 + 3H2O = 2Al(OH)3 + 6NaCl + 3CO2,

а также добавлением раствора аммиака к раствору соли алюминия:

AlCl3 + 3NH3·H2O = Al(OH)3 + 3H2O + 3NH4Cl.

Только через четверть века этот способ удалось немного модернизировать. Французский химик А. Э. Сент-Клер Девиль в 1854 году предложил использовать для получения алюминия металлический натрий (Na), и получил первые слитки нового металла. Стоимость алюминия была тогда очень высока, и из него изготовляли ювелирные украшения.

Промышленный способ производства алюминия путем электролиза расплава сложных смесей, включающих оксид, фторид алюминия и другие вещества, независимо друг от друга разработали в 1886 году П. Эру (Франция) и Ч. Холл (США). Производство алюминия связано с высоким расходом электроэнергии, поэтому в больших масштабах оно было реализовано только в 20-ом веке. В Советском Союзе первый промышленный алюминий был получен 14 мая 1932 года на Волховском алюминиевом комбинате, построенном рядом с Волховской гидроэлектростанцией.

3. Нахождение в природе

По распространенности в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов и третье место среди всех элементов (после кислорода (O) и кремния (Si)), на его долю приходится около 8,8% массы земной коры. Алюминий входит в огромное число минералов, главным образом, алюмосиликатов, и горных пород. Соединения алюминия содержат граниты, базальты, глины, полевые шпаты и др. Но вот парадокс: при огромном числе минералов и пород, содержащих алюминий, месторождения бокситов -- главного сырья при промышленном получении алюминия, довольно редки. В России месторождения бокситов имеются в Сибири и на Урале. Промышленное значение имеют также алуниты и нефелины. В качестве микроэлемента алюминий присутствует в тканях растений и животных. Существуют организмы-концентраторы, накапливающие алюминий в своих органах, -- некоторые плауны, моллюски.

Промышленное получение: при промышленном производстве бокситы сначала подвергают химической переработке, удаляя из них примеси оксидов кремния (Si), железа (Fe) и других элементов. В результате такой переработки получают чистый оксид алюминия Al2O3 -- основное сырье при производстве металла электролизом. Однако из-за того, что температура плавления Al2O3 очень высока (более 2000°C), использовать его расплав для электролиза не удается.

Выход ученые и инженеры нашли в следующем. В электролизной ванне сначала расплавляют криолит Na3AlF6 (температура расплава немного ниже 1000°C). Криолит можно получить, например, при переработке нефелинов Кольского полуострова. Далее в этот расплав добавляют немного Al2О3 (до 10% по массе) и некоторые другие вещества, улучающие условия проведения последующего процесса. При электролизе этого расплава происходит разложение оксида алюминия, криолит остается в расплаве, а на катоде образуется расплавленный алюминий:

2Al2О3 = 4Al + 3О2.

Так как анодом при электролизе служит графит, то выделяющийся на аноде кислород (O) реагирует с графитом и образуется углекислый газ СО2.

При электролизе получают металл с содержанием алюминия около 99,7%. В технике применяют и значительно более чистый алюминий, в котором содержание этого элемента достигает 99,999% и более.

По масштабам применения алюминий и его сплавы занимают второе место после железа (Fe)и его сплавов. Широкое применение алюминия в различных областях техники и быта связано с совокупностью его физических, механических и химических свойств: малой плотностью, коррозионной стойкостью в атмосферном воздухе, высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью и сравнительно высокой прочностью. Алюминий легко обрабатывается различными способами -- ковкой, штамповкой, прокаткой и др. Чистый алюминий применяют для изготовления проволоки (электропроводность алюминия составляет 65,5% от электропроводности меди, но алюминий более чем в три раза легче меди, поэтому алюминий часто заменяет медь в электротехнике) и фольги, используемой как упаковочный материал. Основная же часть выплавляемого алюминия расходуется на получение различных сплавов. Сплавы алюминия отличаются малой плотностью, повышенной (по сравнению с чистым алюминием) коррозионной стойкостью и высокими технологическими свойствами: высокой тепло- и электропроводностью, жаропрочностью, прочностью и пластичностью. На поверхности сплавов алюминия легко наносятся защитные и декоративные покрытия.

Разнообразие свойств алюминиевых сплавов обусловлено введением в алюминий различных добавок, образующих с ним твердые растворы или интерметаллические соединения. Основную массу алюминия используют для получения легких сплавов -- дуралюмина (94% -- алюминий, 4% медь (Cu), по 0,5% магний (Mg), марганец (Mn), железо (Fe) и кремний (Si)), силумина (85-90% -- алюминий, 10-14% кремний (Si), 0,1% натрий (Na)) и др. В металлургии алюминий используется не только как основа для сплавов, но и как одна из широко применяемых легирующих добавок в сплавах на основе меди (Cu), магния (Mg),железа (Fe), >никеля (Ni) и др.

Сплавы алюминия находят широкое применение в быту, в строительстве и архитектуре, в автомобилестроении, в судостроении, авиационной и космической технике. В частности, из алюминиевого сплава был изготовлен первый искусственный спутник Земли. Сплав алюминия и циркония (Zr) -- циркалой -- широко применяют в ядерном реакторостроении. Алюминий применяют в производстве взрывчатых веществ.

Особо следует отметить окрашенные пленки из оксида алюминия на поверхности металлического алюминия, получаемые электрохимическим путем. Покрытый такими пленками металлический алюминий называют анодированным алюминием. Из анодированного алюминия, по внешнему виду напоминающему золото (Au), изготовляют различную бижутерию.

6. Биологоческая роль

В организм человека алюминий ежедневно поступает с пищей (около 2-3 мг), но его биологическая роль не установлена.

В среднем в организме человека (70 кг) в костях, мышцах содержится около 60 мг алюминия.

Ниже представлен краткий обзор важнейших химических соединений алюминия, которые находятся в природных условиях, а также их промышленного применения.

Что такое химическое соединение?

Химическое соединение алюминия – это вещество, которое образовано из двух или более химических элементов, одним из которых является алюминий. Эти элементы связаны между собой химически, то есть путем ковалентных, ионных или металлических связей. Химическое соединение имеет фиксированный химический состав и постоянную химическую формулу.

Алюминиевые сплавы обычно не являются химическими соединениями. Они являются гомогенными или гетерогенными смесями входящих в них химических элементов или соединений. Поэтому они не имеют фиксированного химического состава и не имеют химической формулы.

Классификация соединений алюминия

Современная классификация соединений алюминия из Энциклопедии Алюминия [4] представлена ниже.

Классификация соединений алюминия [4]

Алюминий в природе

Алюминий является самым распространенным (более 8 % по массе) природным металлическим элементом, а также третьим природным элементом среди всех химических элементов (после кислорода и кремния). Однако из-за высокой химической активности алюминия он почти всегда находится в соединениях с другими элементами и очень редко встречается в природе в виде чистого металла.

Таблица – Доля химических элементов в земной коре

Металлический алюминий

Чистый алюминий – это серебристо-белый, ковкий, пластичный металл с атомным номером 13 и относительной атомной массой 26,98. За небольшими исключениями он находится в химических соединениях в виде Al +3 .

Этот металл обладает амфотерными свойствами. Он реагирует с минеральными кислотами и сильными щелочами. Хотя алюминий является одним из самых химически активных промышленных металлов, он имеет очень высокое сопротивление коррозии. При контакте свежей алюминиевой поверхности с кислородом, водой или другими окислителями на ней мгновенно вырастает плотная оксидная пленка (Al₂O₃), которая обеспечивает металлу высокую стойкость к коррозии. Эта оксидная пленка растворяется в щелочных растворах с выделением водорода и образованием растворимых щелочноземельных алюминатов [1].

Эта оксидная пленка является стойкой к некоторым кислотам (например, азотной кислоте) и предотвращает дальнейшее химическое воздействие на металл. Однако она растворяется в некоторых кислотах (например, в соляной кислоте или горячей серной кислоте), а также в щелочных растворах, что делает возможным дальнейшие химические реакции на поверхности алюминия.

При повышенных температурах алюминий реагирует:

с водой (выше 180 ºС) с образованием гидроксида Al(OH)₃ и водорода H₂;
со многими оксидами металлов с образованием оксида Al₂O₃ и металла, восстановленного из его оксида.

Последняя реакция применяется при производстве некоторых металлов (алюмотермия), например, марганца и некоторых сплавов, например, ферротитана.

Природные соединения

Минералы

Природные минералы являются химическими соединениями. Алюминий присутствует во многих минералах – более 270 видов – в комбинациях с кислородом, кремнием, щелочными и щелочноземельными металлами и фтором, а также в виде гидроксидов, сульфатов и фосфатов. Например, полевые шпаты – наиболее распространенные минералы земной коры (около 50 %) – являются алюминосиликатами [1]. Ниже представлены важнейшие минералы алюминия из фундаментальной энциклопедии про алюминий [4]

Важнейшие минералы алюминия [4]

Металлический алюминий в природе

Природный металлический алюминий иногда находят как минорную фазу в условиях недостатка кислорода, например, внутри некоторых вулканов. Он также встречается в таких минералах, как берилл, криолит, гранат, шпинель и бирюза [1].

Драгоценные камни

Примеси в кристаллах оксида Al₂O₃, такие как хром или кобальт дают драгоценные камни рубин и сапфир, соответственно. Чистый оксид Al₂O₃ известен как корунд – один из самых твердых материалов.

Бокситы

Хотя алюминий и является очень распространенным природным элементом, большинство алюминиевых минералов не могут быть экономически выгодными источниками этого металла. Почти весь металлический первичный алюминий производится из руды, которая называется бокситом (или бокситами) с обобщенной химической формулой (AlO_x(OH)_3-2x) [1].

Бокситы происходят в природе как продукты выветривания коренных пород с низким содержанием железа и кремния в тропических климатических условиях. Природные бокситы содержат различные гидратированные формы оксида алюминия, которые имеют различные кристаллические системы, а также различаются по степени гидратации (количеству молекул воды на одну молекулу Al₂O₃).

Производство глинозема

Около 90 % алюминиевых руд – бокситов – идет на производство первичного алюминия, остальные 10 % – на другие промышленные применения.

Промышленное производство первичного алюминия имеет две основных стадии:

производство из исходной бокситной руды чистого оксида алюминия – глинозема;
электрохимическое восстановление этого оксида до металлического алюминия в ванне расплавленного криолита.

Бокситы

Боксит не является минералом и химическим соединением. Это наименование – боксит (или, чаще, бокситы) – применяется для обозначения различных типов алюминиевых руд, которые содержат соединения алюминия, в основном – различные виды гидроксидов.

Промышленные бокситы содержит три основных типа гидроксидных минералов:

Эти типы гидроксидов значительно различаются по таким физическим свойствам, как:

содержание воды,
кристаллическая система
твердость,
плотность,
температура дегидратации
растворимость в технологических растворах.

Обычно природные залежи бокситов состоят из одного из этих типов гидроксидов, хотя в некоторых случаях одна и та же алюминиевая руда может содержать смешанные гидроксиды.

Бокситы различаются по цвету от кремового до темно коричневого при высоком содержании железа.

В состав типичного боксита для промышленного производства алюминия входят следующие соединения:

оксид алюминия – Al₂O₃: 40-60 %
оксид кремния – SiO₂: 1-6 %
оксид железа – Fe₂O₃: 2-25 %
оксид титана – TiO₂: 1-5 %
оксиды кальция и магния – CaO + MgO: 0,2-0,6 %
оксиды других элементов: от 0,01 до 0,4 % (каждого).

Глинозем

Почти весь глинозем получают из бокситов, которые содержат около 50 % оксида Al₂O₃ в виде гидроксидов. Эту алюминиевую руду обрабатывают в растворе каустической соды под давлением, чтобы растворить оксид алюминия в виде алюмината, и отделить его от красного осадка, содержащего оксиды железа и другие основные примеси. Затем из этого раствора алюмината осаждают кристаллы гидроксида алюминия.

При температуре ниже 700 ºС в технологической массе содержатся следующие различные типы соединений алюминия – его гидроксидов:

гиббсит
байерит
нордстрандид
диаспор
богемит.

Завершающей технологической операцией производства глинозема является обжиг полученной на предыдущих этапах смеси гидроксидов. Обжиг (кальцинация) производится при температуре 1200 ºС с получением на выходе чистого глинозема с содержанием оксида Al₂O₃ более 99 %.

Для промышленного производства 1 тонны алюминия требуется около 2 тонн глинозема.

Соединениями алюминия, которые являются наиболее важными для неметаллургических отраслей промышленности – являются его:

Оксид алюминия

Кислородное соединение алюминия

Типы оксидов

При дегидратации гидроксидов образуется серия типов оксида Al₂O₃, которые еще содержат небольшую долю гидроксильных групп и сохраняют некоторую химическую активность. Все оксиды, которые получены при пониженных температурах называют переходными модификациями. При температуре 1400 ºС все переходные модификации превращаются в альфа-модификацию [1].

Анодный оксид

Анодный оксид получают путем электрохимического оксидирования алюминия. Это соединение представляет собой наноструктурированный материал с уникальной структурой. Анодный алюминиевый оксид состоит из цилиндрических пор, которые обеспечивают ему широкое применение в технике. Он является термически и механически устойчивым, оптически прозрачным и обладает высокими электроизоляционными свойствами. Размер пор и толщина анодного оксидного слоя легко регулируется параметрами технологии, что дает возможность его применения не только как защитного декоративного покрытия для алюминиевых изделий, но и как основу для нанотехнологий.

Структура анодного оксидного покрытия

Гидроксиды

Известны различные формы гидроксидов алюминия. Наиболее изученными формами являются тригидроксид Al(OH)3 и оксид-гидроксид AlO(OH). Кроме этих кристаллических форм известны еще несколько других типов [1].

Гидроксид Al(OH)₃ применяется в больших объемах для очистки сточных вод, а также для производства других соединений алюминия, в том числе его солей.

Сульфат алюминия

Структура и состав

Сульфат алюминия может существовать с различными пропорциями воды. Обычной формой этого соединения является Al₂(SO₄)₃·18H₂O. Он почти нерастворим в обезвоженном спирте, но хорошо растворяется в воде. При температуре выше 770 ºС разлагается до оксида алюминия.

Применение

Находит применение в следующих отраслях промышленности и областях жизни [1, 2]:

системы очистки воды и обработки сточных вод;
производство бумаги;
противопожарная защитная одежда;
очистка масел и жиров;
гидроизоляция бетона;
производство антиперспирантов;
выделка кож;
производство красок;
в сельскохозяйственных пестицидах;
производство химикатов;
средство для повышения кислотности почв;
производство косметики и мыла;
в медицинских препаратах.

Квасцы

Сульфат алюминия входит в комбинацию с сульфатами одновалентных металлов с образованием двойных солей, которые называются квасцами. Наиболее важным из этих солей является алюминиевый сульфат калия. Это химическое соединение также известно как калиевые квасцы. Эти квасцы имеют широкое применение с глубокой древности в производстве кожи, лекарств, тканей и красок.

Глины

Глины состоят в основном из алюмосиликатов.

Хлорид

При взаимодействии газообразного хлора с расплавленным алюминием образуется хлорид алюминия. Это соединение наиболее часто применяется как катализатор в реакциях синтеза различных органических соединений. Гидратированный хлорид AlCl₃∙H₂O, применяется как антипреспирант или дезодорант. Это соединение является одной из нескольких алюминиевых солей, которые применяются к косметической промышленности.

Гексагидратная форма хлорида алюминия применяется:

для защитной обработки древесины,
как дезинфицирующее средство в животноводстве и при производстве мяса;
очистке сырой нефти
производство бумаги

Гидрид алюминия

С водородом алюминий образует гидрид AlH₃, который широко применяется в органической химии, в том числе, в виде литиевого гидрида алюминия (LiAlH₄). Это соединение получают при взаимодействии хлорида алюминия с хлоридом лития.

Интерметаллические соединения

Интерметаллид (интерметаллическое соединение) — это химическое соединение двух или более металлов. Интерметаллиды, как это и должно быть у химических соединений, имеют фиксированное соотношение между своими компонентами. Обычно в интерметаллических соединениях связь между атомами – металлическая.

Интерметаллические соединения имеет большое значение для микроструктуры и свойств алюминиевых сплавов. Например, железо и кремний являются примесями, которые всегда присутствуют в алюминии. Поскольку растворимость железа в твердом алюминии очень мала, то фазы Al-Fe или Al-Fe-Si можно найти в микроструктуре даже сверхчистого алюминия. Этими фазами могут быть интерметаллические соединения FeAl₃, Fe₃SiAl₁₂, Al₂Si₂Al₉ или FeAl_6.

В алюминиевых сплавах насчитывается несколько десятков фаз, которые являются интерметаллическими соединениями. В сложных сплавах типа 2014 (система Al-Cu-Mg-Mn-Fe-Si) эти соединения имеют вид типа (Mn,Fe)₃SiAl₁₂ [3].

Таблица – Интерметаллические соединения алюминия [2]

4. Тринадцатый элемент: Энциклопедия /А. Дроздов – Библиотека РУСАЛа, 2007

Алюминий расположен в главной подгруппе III группы (или в 13 группе в современной форме ПСХЭ) и в третьем периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение алюминия и свойства

Электронная конфигурация алюминия в основном состоянии :

+13Al 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 1s 2s 2p 3s 3p

Электронная конфигурация алюминия в возбужденном состоянии :

+13Al * 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 2 1s 2s 2p 3s 3p

Алюминий проявляет парамагнитные свойства. Алюминий на воздухе быстро образует прочные оксидные плёнки, защищающие поверхность от дальнейшего взаимодействия, поэтому устойчив к коррозии.

Физические свойства

Алюминий – лёгкий металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Обладает высокой тепло- и электропроводностью.

Температура плавления 660 о С, температура кипения 1450 о С, плотность алюминия 2,7 г/см 3 .

Алюминий — один из наиболее ценных цветных металлов для вторичной переработки. На протяжении последних лет, цена на лом алюминия в пунктах приема непреклонно растет. По ссылке можно узнать о том, как сдать лом алюминия.

Нахождение в природе

Алюминий — самый распространенный металл в природе, и 3-й по распространенности среди всех элементов (после кислорода и кремния). Содержание в земной коре — около 8%.

В природе алюминий встречается в виде соединений:

Бокситы Al₂O₃ · H₂O (с примесями SiO₂, Fe₂O₃, CaCO₃) — гидрат оксида алюминия.

Корунд Al₂O₃. Красный корунд называют рубином, синий корунд называют сапфиром.

Способы получения

Алюминий образует прочную химическую связь с кислородом. Поэтому традиционные способы получения алюминия восстановлением из оксида протекают требуют больших затрат энергии. Для промышленного получения алюминия используют процесс Холла-Эру. Для понижения температуры плавления оксид алюминия растворяют в расплавленном криолите (при температуре 960-970 о С) Na₃AlF₆, а затем подвергают электролизу с углеродными электродами. При растворении в расплаве криолита оксид алюминия распадается на ионы:

На катоде происходит восстановление ионов алюминия:

Катод: Al 3+ +3e → Al 0

На аноде происходит окисление алюминат-ионов:

Суммарное уравнение электролиза расплава оксида алюминия:

Лабораторный способ получения алюминия заключается в восстановлении алюминия из безводного хлорида алюминия металлическим калием:

AlCl₃ + 3K → Al + 3KCl

Качественные реакции

Качественная реакция на ионы алюминия — взаимодействие избытка солей алюминия с щелочами . При этом образуется белый аморфный осадок гидроксида алюминия.

Например , хлорид алюминия взаимодействует с гидроксидом натрия:

AlCl₃ + 3NaOH → Al(OH)₃ + 3NaCl

При дальнейшем добавлении щелочи амфотерный гидроксид алюминия растворяется с образованием тетрагидроксоалюмината:

Обратите внимание , если мы поместим соль алюминия в избыток раствора щелочи, то белый осадок гидроксида алюминия не образуется, т.к. в избытке щелочи соединения алюминия сразу переходят в комплекс:

AlCl₃ + 4NaOH = Na[Al(OH)₄] + 3NaCl

Соли алюминия можно обнаружить с помощью водного раствора аммиака. При взаимодействии растворимых солей алюминия с водным раствором аммиака также в ыпадает полупрозрачный студенистый осадок гидроксида алюминия.

AlCl₃ + 3NH₃·H₂O = Al(OH)₃ ↓ + 3NH₄Cl

Al 3+ + 3NH₃·H₂O = Al(OH)₃ ↓ + 3NH₄ +

Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида алюминия с раствором аммиака можно посмотреть здесь.

Химические свойства

1. Алюминий – сильный восстановитель . Поэтому он реагирует со многими неметаллами .

1.1. Алюминий реагируют с галогенами с образованием галогенидов:

1.2. Алюминий реагирует с серой с образованием сульфидов:

1.3. Алюминий реагируют с фосфором . При этом образуются бинарные соединения — фосфиды:

Al + P → AlP

1.4. С азотом алюминий реагирует при нагревании до 1000 о С с образованием нитрида:

2Al + N₂ → 2AlN

1.5. Алюминий реагирует с углеродом с образованием карбида алюминия:

1.6. Алюминий взаимодействует с кислородом с образованием оксида:

Видеоопыт взаимодействия алюминия с кислородом воздуха (горение алюминия на воздухе) можно посмотреть здесь.

2. Алюминий взаимодействует со сложными веществами:

Тем не менее, несложно понять, что алюминий все-таки с водой в обычных условиях (да и при нагревании) не взаимодействует. И мы уже упоминали, почему: из-за образования оксидной пленки . А вот если алюминий очистить от оксидной пленки (например, амальгамировать), то он будет взаимодействовать с водой очень активно с образованием гидроксида алюминия и водорода:

2Al 0 + 6 H₂ + O → 2 Al +3 ( OH)₃ + 3 H₂ 0

Амальгаму алюминия можно получить, выдержав кусочки алюминия в растворе хлорида ртути ( II ):

3HgCl₂ + 2Al → 2AlCl₃ + 3Hg

Видеоопыт взаимодействия амальгамы алюминия с водой можно посмотреть здесь.

2.2. Алюминий взаимодействуют с минеральными кислотами (с соляной, фосфорной и разбавленной серной кислотой). При этом образуются соль и водород.

Например , алюминий бурно реагирует с соляной кислотой :

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂↑

2.3. При обычных условиях алюминий не реагирует с концентрированной серной кислотой из-за пассивации – образования плотной оксидной пленки. При нагревании реакция идет, образуются оксид серы (IV), сульфат алюминия и вода:

2.4. Алюминий не реагирует с концентрированной азотной кислотой также из-за пассивации.

С разбавленной азотной кислотой алюминий реагирует с образованием молекулярного азота:

При взаимодействии алюминия в виде порошка с очень разбавленной азотной кислотой может образоваться нитрат аммония:

2.5. Алюминий – амфотерный металл, поэтому он взаимодействует с щелочами . При взаимодействии алюминия с раствором щелочи образуется тетрагидроксоалюминат и водород:

2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂ ↑

Видеоопыт взаимодействия алюминия со щелочью и водой можно посмотреть здесь.

Алюминий реагирует с расплавом щелочи с образованием алюмината и водорода:

2Al + 6NaOH → 2Na₃AlO₃ + 3H₂ ↑

Эту же реакцию можно записать в другом виде (в ЕГЭ рекомендую записывать реакцию именно в таком виде):

2Al + 6NaOH → 2NaAlO₂ + 3H₂↑ + 2Na₂O

2.6. Алюминий восстанавливает менее активные металлы из оксидов . Процесс восстановления металлов из оксидов называется алюмотермия .

Например , алюминий вытесняет медь из оксида меди (II). Реакция очень экзотермическая:

2Al + 3CuO → 3Cu + Al₂O₃

Еще пример : алюминий восстанавливает железо из железной окалины, оксида железа (II, III):

Восстановительные свойства алюминия также проявляются при взаимодействии его с сильными окислителями: пероксидом натрия, нитратами и нитритами в щелочной среде, перманганатами, соединениями хрома (VI):

Читайте также: